ГЛАВА 1. Теоретическая часть

1.1 Автоматизация предприятия

1.1.1 Цели автоматизации предприятия

Автоматизация предприятия является не самоцелью, а средством

достижения заранее сформулированных результатов, таких как:

− обеспечение рентабельности предприятия;

− улучшение качества продукции;

−увеличение выпуска готовой продукции;

− управление технологическими процессами.

Внедряемые системы автоматизации должны поддерживать принятые

на предприятии правила ведения документации и используемые технологии.

При внедрении новых систем автоматизации рекомендуется использовать

комплексный подход к решению возникающих проблем путем использования

уже существующих информационных баз предприятия. Проектирование

отдельных частей системы ведется в расчете на их функционирование в

составе будущей единой информационной системы предприятия. Это вовсе не

означает одновременной автоматизации всех отделов и служб, а также полное

прекращение функционирования существующих систем. Создание новой

информационной системы проводится поэтапно в рамках разработанной

стратегии. В первую очередь модернизируются критические и базовые

участки или участки без автоматизации. На каждом этапе автоматизации

достигаются определенные результаты и создается основа для следующего

шага в автоматизации предприятия. Системы автоматизации по решаемым

задачам можно классифицировать на две группы:

− экономические, административные и логистические;

− технологические и производственные.

Первые относятся к административно - хозяйственной, а вторые - к

производственной деятельности предприятия.

1.1.2 ERP-системы

К первой группе систем автоматизации принадлежат так называемые

ERP - системы, или автоматизированные системы управления предприятием

(АСУП).

ERP - системы являются результатом развития управленческих и

информационных технологий.

В 60 - х годах вычислительная техника начала использоваться для

автоматизации различных областей деятельности предприятий. Первыми

системами автоматизации управления предприятиями были

MRP - системы (MRP – Material Requirements Planning). MRP - системы – это

системы планирования потребностей в материалах. В основе

функционирования таких систем лежит понятие производственной

программы производства (MPS - Master Production Schedule) и спецификации

изделия (BOM – Bill Of Materials). Спецификация показывает входящие в

изделие компоненты и материалы, а производственная программа содержит

информацию о номенклатуре и количестве изделий, которые запланированы к

выпуску, а также о времени, необходимом для их изготовления. При помощи

BOM и MPS спецификация разбивается на отдельные узлы и модули для

получения информации о количестве необходимых материалов и компонентов

для производства заданного количества готовых изделий. Затем на основе этой

информации формируется пакет заказов на закупку необходимых материалов

и производство комплектующих. Кроме того, в данном процессе учитывается

информация о запасах материала и компонентов на складах предприятия.

Использование систем MRP позволяет предприятиям повысить

эффективность производственного цикла, снизить уровень запасов

материалов и сырья на складе и соответственно уменьшить площади

складских помещений, сократить сроки выполнения заказов.

В 80 - х годах MRP - системы эволюционировали в системы

планирования производственных ресурсов предприятия (Manufacturing

Resource Planning), называемые из-за схожести аббревиатур MRP II.

В отличие от MRP - систем, MRP II-системы были предназначены не

только для планирования производственных ресурсов предприятия, но и для

управления финансовыми и кадровыми ресурсами. Системы планирования

ресурсов предприятия (ERP - системы) стали следующей ступенью развития

MRP - и MRP II-систем.

ERP (Enterprise Resource Planning) переводится как планирование

ресурсов предприятия. Эта система предназначена для идентификации и

планирования всех ресурсов предприятия, которые необходимы для

осуществления хозяйственной деятельности предприятия.

В последнее десятилетие успешное развитие Internet - технологий

позволило предприятиям обмениваться данными и документами с

покупателями и контрагентами. Новые функции работы с интернетом,

которые Появились в современных интегрированных системах управления,

выходят за традиционные рамки ERP, замкнутой внутри производственного

цикла предприятия. Внедрение в традиционные ERP - системы предприятия

интернет - решений привело к созданию новой организационной и

управленческой системы. В результате этого появилась концепция систем

нового поколения – ERP II (Enterprise Resource and Relationship Processing) –

управление ресурсами и внешними отношениями предприятия. Такие системы

имеют две ветви управления: внутреннюю– управляющую внутренними

процессами предприятия, и внешнюю – управляющую взаимодействиями со

сторонними организациями. Внутреннюю ветвь управления принято называть

back-office – внутренняя система, а функции взаимодействия с внешними

организациями – front – office – внешняя система.

Примерами ERP - систем являются ERP - галактика, различные системы

фирмы 1С, Oracle JD Edwards и другие системы.

Так, например, Oracle JD Edwards включает в себя следующие модули:

− управление продажами;

− управление закупками;

− управление запасами и складами;

− управление недвижимостью;

− техническое обслуживание и ремонты;

− управление финансами;

− управление производством;

− управление проектными работами;

− управление взаимоотношениями с клиентами (crm);

− управление персоналом;

− управление выращиванием;

− производственная безопасность.

При этом на предприятие можно установить как все перечисленные

модули, так и часть модулей, в зависимости от решаемых задач и структуры

предприятия.

1.1.3 MES - системы

MES (Manufacturing Execution System) – исполнительная система

производства. Такие системы координируют, анализируют и оптимизируют

выпуск продукции в рамках какого - либо производства. MES - системы

оперируют исключительно производственной информацией, что позволяет

корректировать производственное расписание в течение рабочей смены

столько раз, сколько это необходимо. За счет этого MES - системы позволяют

оптимизировать производственный процесс и сделать его более

рентабельным. MES - системы собирают и обобщают данные, полученные от

различных технологических и производственных систем, выводят на уровень

экономических, административных и логистических систем организацию всей

производственной деятельности, начиная от формирования

производственного заказа и до отгрузки готовой продукции на склады. Это

достигается за счет связи в реальном времени производственных процессов с

бизнес - процессами предприятия, что ведет к улучшению финансовых

показателей предприятия. Таким образом, MES – это связующее звено между

ERP - системами и производственной деятельностью предприятия на уровне

цеха, участка или производственной линии. На рис. 1 показана схема

информационно-управляющей структуры производственного предприятия.

Рисунок 1 - Схема информационно-управляющей структуры

производственного предприятия

1.1.4 SCADA - системы

SCADA-системы относятся ко группе технологических и

производственных систем. Еще такие системы называют

автоматизированными системами управления технологическими процессами

(АСУТП). SCADA - система расшифровывается как Supervisory Control And

Data Acquisition – система супервизорного управления и сбора данных) и

является системой управления и контроля, содержащей программные и

аппаратные средства, взаимодействующие между собой через локальные и

глобальные сети. SCADA системы позволяют решать следующие задачи:

− отображение на экране дисплея различной первичной информации,

полученной с помощью различных датчиков;

− вычисление различных параметров на основе информации,

полученной от первичных датчиков;

− дистанционное управление отдельными механизмами и системами с

использованием возможностей автоматизированного рабочего места (АРМ);

− поддержание заданного технологического процесса;

− отслеживание и оповещение об аварийных ситуациях;

− посуточное архивирование результатов работы системы с

возможностью вывода архивированной информации на экран и ее распечатки

по запросу. Выполнение функций SCADA - системы структурно распределено

между промышленными контроллерами и автоматизированным рабочим

местом (АРМ) оператора. Чаще всего в SCADA - системах выделяют три

уровня.

Верхний уровень (уровень 3) – это комплекс, состоящий из аппаратуры

связи и специализированных АРМ на базе персональных компьютеров.

Комплекс предназначен для приема и обработки текущей информации о

работе различных узлов и агрегатов, выявления нештатных (аварийных)

ситуаций, анализа принятой информации оперативным персоналом с целью

обнаружения причин неудовлетворительной работы и планирования

профилактических мероприятий.

Средний уровень (уровень 2) – это совокупность специализированных

АРМ на базе персональных компьютеров и малогабаритных промышленных

контроллеров. Контроллеры среднего уровня выполняют функции устройств

связи с объектом управления и используются для обеспечения сопряжения

верхних и нижних уровней. На этом уровне выполняется анализ состояния

объектов контроля, управление и прием данных с устройств нижнего уровня,

передача принятой информации на верхний уровень системы, производится

предварительная обработка информации, полученной с нижнего уровня, и

обеспечивается связь с верхним уровнем системы.

Нижний уровень (уровень 1) – это различные интеллектуальные

устройства на основе микропроцессоров, иначе называемые

интеллектуальными датчиками, которые обеспечивают сопряжение с

объектом. Аппаратура этого уровня чаще всего объединяется в локальную сеть

микроконтроллеров и обеспечивает прием и обработку полученных с

измерительных приборов и датчиков сигнализации информационных

сигналов, а также выдачу управляющих воздействий и сигналов. Аппаратура

нижнего уровня управляется контроллерами среднего уровня.

Верхний уровень состоит из набора различных программных средств,

позволяющих проектировать и запускать в реальном времени прикладное

программное обеспечение системы. Предоставляется возможность разработки

прикладных систем автоматизации в графических редакторах, поставляемых

вместе с системой, без программирования на машинных языках. Это позволяет

разрабатывать интерфейс пользователя, удобный оператору для различных

технологических процессов.

Для организации единой информационной базы хранения информации

используются различные системы управления базами данных (СУБД),

позволяющие создавать базы данных. Использование СУБД позволяет

создавать архивы ведения технологических процессов, анализировать их и

получать к ним удаленный доступ по локальной или глобальной

компьютерной сети.

В процессе подготовки к эксплуатации в этих системах

предусматривается настройка базовой системы на конкретный объект

управления (различное количество и сочетание каналов ввода/вывода и другие

параметры). Кроме того, программное обеспечение должно визуализировать

информацию о процессах, происходящих на объектах управления в режиме

реального времени, а также осуществлять дистанционное управление

технологическим процессом.

Программное обеспечение среднего уровня позволяет предварительно

обрабатывать полученные данные, передавать соответствующую

информацию на верхний уровень, управлять аппаратурой нижнего уровня.

Модернизация прикладного ПО облегчается за счет использования средств

замены фрагментов программного обеспечения дистанционно, используя

последовательный интерфейс или локальные компьютерные сети.

Одним из наиболее распространенных пакетов SCADA-систем является

инструментальный пакет InTouch фирмы Wonderware. Этот пакет состоит из

различных программно-инструментальных средств, которые предназначены

для разработки автоматизированной системы промышленного применения.

Пакет InTouch позволяет разрабатывать системы контроля за работой

предприятия и наблюдения за различными параметрами технологических

процессов. Наблюдение и ведение технологического процесса осуществляется

с помощью:

− графического отображения параметров на экране

автоматизированного рабочего места операторов в реальном времени;

− анализа полученных данных;

− архивирования полученной информации.

Пакет InTouch позволяет отображать в каждом окне экрана неограниченное

количество динамических элементов, а также интегрировать приложения с

различными серверами, например Microsoft SQL, Windows NT, Mail и др.

1.2 Интерфейсы

1.2.1 Классификация и основные параметры интерфейсов

Интерфейс (interface) – это граница раздела двух систем, устройств или

программ. Он содержит элементы соединения и вспомогательные схемы

управления, используемые для соединения устройств. Интерфейс,

описывающий правила взаимодействия физических устройств, называется

аппаратным интерфейсом. Интерфейс, описывающий способы

взаимодействия виртуальных устройств, называется программным

интерфейсом. Интерфейс, описывающий способы взаимодействия человека и

компьютера, называется интерфейсом пользователя.

Таким образом, аппаратный интерфейс (далее интерфейс) – это набор

правил, по которым осуществляется связь нескольких устройств.

По способу передачи информации интерфейсы можно разделить на

параллельные и последовательные.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова передаются

по линии связи одновременно. Примером параллельного интерфейса является

шина PCI компьютера.

В последовательном интерфейсе биты данных передаются друг за

другом последовательно, обычно по одной линии связи. Примером

последовательного интерфейса является шина USB.

Одним из важнейших параметров интерфейса является его пропускная

способность. Если быстродействие приемопередающих цепей и пропускная

способность линий связи одинаковы, то скорость передачи у параллельного

интерфейса больше, чем у последовательного. Однако в настоящее время

одним из способов повышения пропускной способности интерфейса является

увеличение тактовой частоты передачи данных, и при работе на частотах

свыше 300 МГц для корректной передачи данных необходимо учитывать

волновые свойства соединительных кабелей и разъемов. В параллельных

интерфейсах при работе на сверхвысоких частотах (свыше 300 МГц) начинают

сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям кабеля, и

задержки в разных линиях интерфейса могут быть различными вследствие

разнородности проводов и контактов разъемов. Для обеспечения надежной

передачи данных в параллельных интерфейсах временные диаграммы обмена

строятся с учетом возможного разброса времени прохождения сигналов. Это

является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности

параллельных интерфейсов.

Аппаратные интерфейсы могут работать в трех режимах обмена

данными – симплексном, дуплексном и полудуплексном. Дуплексный режим

обеспечивает передачу информации по одному каналу в обоих направлениях.

Примером дуплексного режима является телефонная связь, когда абонент

может одновременно говорить и слушать. Такой режим может быть

асимметричным, если пропускная способность приема и передачи имеет

существенно различающиеся значения, или симметричным. Полудуплексный

режим позволяет использовать в каждый момент времени либо приемник,

либо передатчик, при этом в интерфейсе предусмотрены средства

переключения направления канала. Примером полудуплексного обмена

данными является связь по рации, когда абонент может или слушать, или

говорить. Симплексный (односторонний) режим предусматривает передачу

информации только в одном направлении. В о встречном направлении могут

передаваться только вспомогательные сигналы интерфейса.

Еще одним важным параметром интерфейсов является допустимая

длина линии связи соединяемых устройств. На ограничение длины линии

связи влияют как ее частотные свойства, так и помехозащищенность

интерфейса. Помех и могут возникать как от соседних линий интерфейса, так

называемые перекрестные помехи, так и от искажения уровней сигналов.

Защитой от перекрестных помех может быть применение витых пар проводов

для каждой линии.

В настоящее время в качестве еще одной важной характеристики

интерфейса является топология соединения. Для интерфейсов Centronics и RS-

232C применяется топология «точка-точка» (ПК– устройство или ПК– ПК).

Интерфейсы USB и FireWire реализуют топологию «много-ярусная звезда», в

которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и

промежуточными. Такая топология позволяет подключать множество

устройств к одному порту.

1.2.2 Топология соединений устройств

При подключении большего числа устройств возникает целый комплекс

проблем. В первую очередь выбирается способ организации физических

связей системы, то есть топологию. Под топологией понимается граф, где

вершинам соответствуют подключаемые устройства системы, а ребрам –

физические связи между ними. Конфигурация физических связей

определяется электрическими соединениями устройств между собой и может

отличаться от конфигурации логических связей между узлами системы.

Логические связи отображают маршруты передачи данных между различными

узлами системы и устанавливаются при помощи соответствующей настройки

системы.

Выбранная топология электрических связей оказывает существенное

влияние на многие характеристики разрабатываемой системы и зависит от

используемых интерфейсов передачи информации. Например, наличие

резервных связей повышает надежность системы и позволяет выполнять

балансирование загрузки отдельных каналов, но при этом резервные связи

увеличивают стоимость системы.

1.2.2.1 Топология «точка - точка»

Эта топология реализует соединения двух узлов напрямую друг с

другом. Такая топология очень проста и экономична, но она имеет

недостаток, заключающийся в том, что таким способом можно

соединить только два устройства.

Рисунок 2 - Топология «точка - точка»

1.2.2.2 Полносвязная топология

Полносвязная топология соответствует системе, в которой каждое

устройство связано со всеми остальными отдельными линиями связи.

Рисунок 3 - Полносвязная топология

1.2.2.3 Ячеистая топология

В случае удаления из полносвязной топологии некоторых

возможных связей получается ячеистая топология. В системе с ячеистой

топологией физически связываются только устройства с максимально

интенсивным обменом данными.

Рисунок 4 - Ячеистая топология

Остальные устройства не имеют прямой связи между собой, и

обмен данными между этими устройствами осуществляется при

помощи транзитных передач через промежуточные узлы. Ячеистая

топология допускает соединение большого количества устройств и

характерна, как правило, для глобальных сетей.

1.2.2.4 Топология «общая шина»

Эта типология одна из самых распространенных. В ней устройства

подключаются к одной линии связи по схеме «монтажного ИЛИ».

Применение топологии «общая шина» снижает стоимость соединений,

унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает

возможность почти мгновенного обращения ко всем устройствам. К

основным преимуществам этой топологии можно отнести малую

стоимость и простоту разводки электрических соединений.

Рисунок 5 - Ячеистая топология

Одним из недостатков является ее невысокая производительность.

Это связано с тем, что в каждый момент времени только одно

устройство может передавать данные, а остальные устройства в это

время работают на прием. Поэтому пропускная способность канала

связи всегда делится здесь между всеми узлами. Другим недостатком

общей шины является ее низкая надежность из - за того, что

неисправность кабеля или приемо-передатчика может полностью

вывести из строя всю систему.

1.2.2.5 Топология «звезда»

Топология «звезда» показана на рисунке 6, а. В этой топологии

каждое устройство соединено отдельной линией связи с центральным

узлом (концентратором). Центральный узел позволяет перенаправлять

передаваемую информацию к одному или нескольким устройствам

системы. Основное преимущество этой топологии перед топологией

«общая шина» – большая надежность.

а б

Рисунок 6 - Топологии: а - звезда; б - иерархическая звезда

Основными недостатками этой топологии являются более высокая

стоимость системы из - за необходимости установки концентратора и

ограниченные возможности по наращиванию количества узлов,

связанные с количеством портов центрального узла. Одной из

разновидностей топологии «звезда» является топология

«иерархическая звезда».

1.2.2.6 Топология «кольцо»

В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу

от одного устройства к другому, как правило, в одном направлении. Если

устройство распознает данные, предназначенные ему, то оно копирует

их себе во внутренний буфер и отправляет маркер источнику о

принятии данных.

Рисунок 7 - Топология «кольцо»

В топологии «кольцо» принимаются специальные меры,

позволяющие в случае выхода из строя или отключения какой - либо

станции прервать канал связи между остальными станциями. В этой

топологии данные передаются в одну сторону и, сделав полный оборот,

возвращаются к узлу - источнику. Это дает возможность осуществлять

контроль процесса доставки данных адресату, а также тестировать

целостность сети и выполнять поиск узла, работающего некорректно.

Для поиска некорректно работающего узла в сеть посылаются

специальные тестовые сообщения.

1.2.3 Способы последовательной передачи

Последовательная передача данных может осуществляться в двух

режимах: асинхронном или синхронном. В асинхронном режиме каждому

переданному слову предшествует старт - бит, который сигнализирует

приемнику о начале посылки. После старт - бита передаются биты данных, а

также бит четности (может отсутствовать). Посылка завершается стоп - битом,

который предназначен для создания паузы между посылками (рис. 2.7). Старт

- бит следующего слова может посылаться в любой момент после стоп - бита,

то есть имеется возможность передавать данные с паузой произвольной

длительности. Старт и стоп-биты всегда имеют строго определенные

значения. Старт - бит всегда имеет значение логического нуля, а стоп - бит –

логической единицы. Это позволяет обеспечивать синхронизацию приемника

по сигналу от передатчика.

1.2.4 Интерфейс RS-232C

Интерфейс RS-232C был разработан для подключения

приемопередающей аппаратуры. В роли аппаратуры передачи данных (АПД)

чаще всего выступает компьютер, принтер или другое периферийное

оборудование. В роли аппаратуры каналов данных (АКД) чаще всего

выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух

устройств АПД. Полная схема соединения показана на рис. 2.8.

Рисунок 8 - Полная схема соединения АПД

Интерфейс RS-232C также позволяет исключить канал удаленной связи

вместе с парой устройств АКД, соединив устройства непосредственно с

помощью нуль - модемного кабеля (линковщика).

При использовании интерфейса RS-232C необходимо заземлять

соединяемые устройства, если они оба питаются от сети переменного тока и

имеют сетевые фильтры.

Отключение и подключение устройств к интерфейсу RS-232C

необходимо производить при отключенном питании.

Существуют специальные буферные микросхемы приемников

интерфейса RS-232C, которые при несоблюдении правил заземления и

коммутации обычно первыми выходят из строя. Для быстрой замены их часто

устанавливают в панельки.

На аппаратуре передачи данных (в том числе на СОМ-портах

компьютера) обычно устанавливают вилки (DB-9P или DB-25P), а на

аппаратуре каналов данных (модемах) чаще всего устанавливают розетки (DB-

9S или DB-25S). Это позволяет подключать разъемы АКД к разъемам АПД

непосредственно через переходные кабели с розеткой и вилкой, у которых

контакты соединены «один в один».

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы

устройств(вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-

modem или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых

соединяются перекрестно.

В таблице 1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и

любой другой аппаратуры АПД).

Таблица 1

Номер

контакта

Обозначен

ие цепи

Напр

авлен

ие

Расшифровка

DB-25S

DB-9S

Сигнальная земля

TxD

Выход передатчика

RxD

Вход приемника

Продолжение таблицы 1

RTS

Выход запроса передачи данных

CTS

Вход разрешения терминалу

передавать данные

DSR

Вход сигнала готовности от

аппаратуры передачи данных

DTR

Выход сигнала готовности

терминала к обмену данными

DCD

Вход сигнала обнаружения

несущей у удаленного модема

Вход индикатора вызова

Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E,

разъем DB-9S описан стандартом EIA/TIA-574. В настоящее время разъем DB-

25S практически не встречается.

1.2.5 Интерфейс USB

Интерфейс USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная

шина) – последовательный интерфейс, предназначенный для подключения к

персональному компьютеру различных периферийных устройств. Интерфейс

USB позволяет подключать одновременно до 127 устройств. Также имеется

возможность осуществлять питание подключенных устройств

непосредственно от шины USB, если потребляемый ток не превышает 500 мА.

1.2.5.1 История создания

Первая версия спецификации интерфейса была опубликована в начале

1996 г., но широкого распространения она не получила из-за ошибок в

реализации. После исправления выявленных ошибок осенью 1998 г. была

представлена спецификация 1.1, которая широко использовалась до появления

версии 2.0. Версия 2.0 была опубликована весной 2000 г. В ней

предусматривалось повышение пропускной способности шины в 40 раз до 480

Мбит/с. При этом была предусмотрена обратная совместимость USB 2.0 с USB

1.1, т. е. устройства USB 1.1 будут работать с USB 2.0 контроллерами на

скорости 12 Мбит/с. Скорость 480 Мбит/с достигается только при

одновременном использовании USB 2.0 контроллера и USB 2.0 периферии. В

2008 г. появилась спецификация USB 3.0.

В спецификации USB 3.0 используются разъёмы и кабели обновлённого

типа, но они функционально и физически совместимы с USB 2.0. Кабель USB

2.0 состоит из четырех линий – две линии для приёма и передачи данных и две

линии питания. В USB 3.0 к этим линиям добавляются еще четыре линии

связи, состоящие из двух витых пар. В результате этого кабель USB 3.0 гораздо

толще кабеля USB 2.0. Дополнительные контакты в разъеме USB 3.0

расположены на другом контактном ряду, что дает возможность визуально

определять принадлежность кабеля к той или иной версии стандарта. В

спецификации USB 3.0 повыше на скорость передачи информации до 4,8

Гбит/с, что в десять раз больше максимальной скорости передачи USB 2.0 (480

Мбит/с). Кроме того, в интерфейсе USB 3.0 увеличено значение максимально

допустимого тока потребления подключенного устройства с 500 до 900 мА.

. 1.2.5.2 Архитектура шины

Архитектура шины USB обеспечивает подключение одного или

нескольких USB устройств к компьютеру напрямую или через внешний

концентратор.

Физическая архитектура USВ шины показана на рис. 2.15.

Шина USB состоит из следующих элементов:

− Хост, или хост-контроллер (Host Controller), – это основной

контроллер, который управляет работой всех устройств на шине USB. На шине

USB допускается наличие только одного хост-контроллера. Обычно

персональный компьютер содержит несколько хостов. При этом каждый хост

управляет отдельной шиной USB. На старых компьютерах часто был один

хост USB 1.1 и несколько хостов USB 2.0.

− Хаб, или концентратор (HUB), – устройство, преобразующее один

восходящий порт (Upstream Port) во множество нисходящих портов

(Downstream Ports), то есть увеличивает количество портов на шине USB.

Архитектура допускает последовательное соединение не более пяти хабов.

− Корневой хаб (Root HUB) – это хаб, входящий в состав хоста.

− Функция (Function) – это периферийное устройство или отдельный

блок периферийного устройства, способный передавать и принимать

информацию по шине USB. Каждая функция предоставляет информацию о

своей конфигурации, которая описывает возможности периферийного

устройства и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна

быть сконфигурирована хостом, ей должна быть выделена полоса в канале и

выбраны опции конфигурации.

−Устройство (Device) представляет собой функцию, хаб или их

комбинацию.

−Порт (Port) представляет собой точку подключения устройства.

Рисунок 9 - Физическая архитектура USB шины

Физическая архитектура USВ шины определяется следующими

правилами:

− Все устройства подключаются к хосту через хаб или корневой хаб.

− Физически устройства соединяются между собой по топологии

«многоярусная звезд а» с вершиной в корневом хабе, а центром каждой звезды

является хаб.

− Каждый кабельный сегмент соединяет между собой две точки – хаб с

функцией или другим хабом.

− К каждому порту хаба может подключаться или другой хаб, или

периферийное устройство.

Рисунок 10 - Логическая архитектура USB шины

Реализация физической архитектуры скрыта от прикладных программ

системным программным обеспечением, поэтому логическая архитектура

выглядит как обычная звезда, центром которой является прикладное

программное обеспечение, а вершинами – набор конечных точек (рис. 2.16).

Прикладная программа ведет обмен информацией с каждой конечной точкой.

. 1.2.5.3 Протокол передачи данных

Передача данных в шине USВ осуществляется асинхронно и с

помощью блоков информации, называемых фреймом или кадром. Каждый

кадр передается за фиксированный интервал времени. Работа с командами и

блоками данных осуществляется при помощи логической абстракции,

называемой каналом. Внешнее устройство также делится на логические

абстракции, называемые конечными точками, поэтому канал является

логической связкой между хост - контроллером и конечной точкой внешнего

устройства. Для передачи команд используется канал, открытый по

умолчанию, а для передачи данных открываются либо потоковые каналы,

либо каналы сообщений.

Шина USB 2.0 имеет следующие режимы передачи данных:

− низкоскоростной (LS, Low speed) с пропускной способностью 1,5

Мбит/с;

− полноскоростной (FS, Full speed) с пропускной способностью 12

Мбит/с;

− высокоскоростной (HS, High speed) с пропускной способностью 480

Мбит/с.

В шине USB 3.0 добавлен режим с пропускной способностью PCI- 4,8

Гбит/с.

1.2.6 Шина PCI-Express

Express (PCI-E) – компьютерная шина, использующая программную

модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол,

основанный на последовательной передаче данных. Она является

симметричной, двунаправленной (bi-directional) шиной, позволяющей

обеспечить передачу данных со скоростью до 2,5 ГБ/

1.2.7 Интерфейс SATA

Интерфейс SATA (англ. Serial ATA) – последовательный интерфейс

обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими

дисками). SATA является развитием интерфейса ATA (IDE), который после

появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

1.2.8 Интерфейс I2C

Последовательный протокол обмена данными I2C(Inter-Integrated

Circuits, межмикросхемное соединение) используется для обмена данными как

между различными устройствами, так и внутри одного устройства.

1.2.9 Интерфейс SPI

Интерфейс SPI – это синхронный протокол передачи данных для

сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами.

SPI расшифровывается как «Serial Peripheral Interface» – последовательный

периферийный интерфейс.

1.2.9 Интерфейс WI-FI

Интерфейс Wi-Fi («беспроводная точность») – стандарт на

оборудование Wireless LAN, разработанный на базе стандартов IEEE 802.11.

В 1990 г. был разработан первый стандарт беспроводной связи – 802.11.

Этот стандарт предусматривал передачу данных при помощи радиоканала

частотой 2,4 ГГц и инфракрасного излучения в диапазоне 850 – 950 нм. В связи

с тем, что в то время приемопередающие устройства, работающие в

инфракрасном диапазоне, не были широко распространены, то этот канал

связи в интерфейс Wi-Fi не получил дальнейшего развития. Скорость обмена

данными составляла от 1 до 2 Мбит/с. Передача данных в стандарте 802.11

осуществлялась при помощи двух и четырехпозиционных манипуляций, что

позволило обеспечить надежную работу системы даже при низком

соотношении сигнал/шум и использовать довольно простые

приёмопередающие модули. Например, при скорости передачи в 2 Мбит/с

каждый информационный символ заменяется на последовательность из 11

символов.

1.2.9 Технология Ethernet

Ethernet – это один из самых распространенных на сегодняшний день

стандарт обмена данными.

Протокол Ethernet основан на экспериментальной сети Ethernet Network,

которую фирма Xerox разработала и реализовала еще в 1975 г. В 1980 г.

фирмами DEC, Intel и Xerox был совместно разработан и опубликован

стандарт Ethernet версии II, построенный на основе коаксиального кабеля. На

основе этого стандарта был разработан стандарт IEEE 802.3. В зависимости от

типа физической среды передачи данных стандарт IEEE 802.3 имеет

различные модификации, такие как l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL,

l0Base-FB.

1.3 Компьютерные сети

1.3.1 Системы пакетной обработки

Первые компьютеры 50-х годов были очень большими и дорогими.

Часто такие компьютеры занимали целые здания. Первые компьютеры не

были предназначены для интерактивной работы с пользователем, а

использовались в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки чаще всего строились на базе мэйн-

фрейма – мощного и надежного (для тех лет) компьютера универсального

назначения. Пользователи подготавливали перфокарты или перфоленты,

содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный

центр. Затем операторы вводили данные с перфокарт или перфолент в

компьютер и запускали программу на выполнение. После выполнения

программы результаты распечатывались и передавались пользователям. При

возникновении ошибки или ввода некорректных данных процедура

повторялась.

Для пользователей такой режим работы с компьютером был очень

неудобен, поскольку не было возможности оперативно руководить процессом

обработки своих данных. Но интересами пользователей на первых этапах

развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали, так

как пакетный режим является самым эффективным в плане использования

вычислительной мощности. Этот режим позволяет выполнить в единицу

времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы. На заре

становления вычислительных систем во главу угла ставилась эффективность

работы самого дорогого устройства вычислительной машины – процессора в

ущерб эффективности работы использующих его специалистов. Примером

компьютера с пакетной обработкой информации является советский

компьютер «Урал-1», выпускавшийся в 1957–1961 г.г.

1.3.2 Многотерминальные системы

В начале 60-х годов появились новые способы организации

вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы

пользователей, – интерактивные многотерминальные системы разделения

времени. В таких 56 системах к компьютеру подключались несколько

терминалов, с помощью которых пользователи могли вести диалог с

компьютером. Время реакции такой вычислительной системы было

достаточно мало для того, чтобы пользователь не замечал параллельную

работу с компьютером других пользователей. Таким образом, несколько

пользователей получили возможность пользоваться одним компьютером в

интерактивном режиме.

В таких системах появилась возможность установки терминалов не

только в вычислительном центре, но и в других отделах, при этом

вычислительная мощность оставалась полностью централизованной. Такие

многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень

похожи на локальные вычислительные сети, поскольку пользователь работу за

терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас

воспринимают работу за подключенным к сети персональным компьютером.

Пользователь получал доступ к периферийным устройствам и общим файлам,

что давало иллюзию единоличного владения компьютером, особенно в

режиме ввода информации. Кроме того, пользователь мог запускать

программы в любой момент времени и почти сразу же получать результат.

Однако скорость выполнения программ на таких системах была невысокой, из

- за того, что вычислительные ресурсы системы делились между всеми

пользователями. Но несмотря на этот недостаток, многотерминальные

системы стали большим шагом вперед на пути создания локальных

вычислительных сетей по сравнению с системами пакетной обработки.

С другой стороны, в это время не было потребности предприятий в

создании локальных сетей, поскольку из-за высокой стоимости

вычислительной техники предприятия обычно не приобретали несколько

компьютеров. В этот период был справедлив закон Гроша, который гласил,

что производительность компьютера пропорциональна квадрату его

стоимости. Отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее

купить одну мощную машину, чем две менее мощные, потому что их

суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

1.3.3 Глобальные сети

К 1970-м годам появилась потребность в обмене информацией между

компьютерами, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Решение

этой задачи началось с более простой, а именно с обеспечения доступа к

компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи

километров. Терминалы соединялись с майнфреймом при помощи модемов

через телефонные сети, что позволило многочисленным пользователям

получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных

компьютеров. Затем были разработаны системы обмена данными не только

между компьютером и удаленным терминалом, но и между удаленными

компьютерами. Это позволило производить обмен данными между

компьютерами в автоматическом режиме. В этих системах были впервые

опробованы и реализованы службы, без которых в сегодняшнее время не

обходится ни одна компьютерная сеть, например службы обмена файлами,

синхронизации баз данных, электронной почты и многие другие.

Поэтому хронологически глобальные вычислительные сети появились

первыми. Именно при разработке и построении глобальных сетей впервые

были предложены и отработаны многие основные идеи и концепции

современных вычислительных сетей.

1.3.4 Первые локальные сети

В начале 1970-х годов двадцатого века появились большие

интегральные схемы. Со временем их цена уменьшалась, а функциональные

возможности увеличивались. Это привело к созданию относительно дешевых

мини-компьютеров, которые стали конкурировать, а со временем и вытеснили

мэйнфреймы. К середине 70-х годов были разработаны и стали широко

использоваться мини-компьютеры PDP-11, Nova, HP. Появление мини-

компьютеров сделало закон Гроша не актуальным, так как

производительность нескольких мини-компьютеров была выше, чем одного

мэйнфрейма, а стоимость такой системы была меньше. Такие мини-

компьютеры применялись для управления технологическим оборудованием и

процессами, логистикой и т. д. Таким образом, в 70-х годах компьютеры на

предприятиях устанавливались не только в вычислительном центре, а также

были распределены по всем службам и цехам. Такое рас-пределение

компьютеров выявило проблему обмена данными между различными

компьютерами, причем эти компьютеры могли располагаться как в одном

отделе, так и в различных. Для решения этой задачи предприятия и

организации стали разрабатывать аппаратные и программные средства для

соединения своих мини-компьютеров в сеть и разрабатывать программное

обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате этой работы

появились первые локальные вычислительные сети. Такие сети во многом

отличались от современных локальных сетей в первую очередь своими

устройствами сопряжения, которые были оригинальной конструкции на

каждом предприятии и разрабатывались для конкретных задач. Однако с

увеличением числа компьютеров на предприятиях стала очевидной

необходимость стандартизации сетевых устройств.

В начале 80-х годов международные организации по стандартизации

ISO, ITU-T и некоторые другие разработали модель взаимодействия открытых

систем (Open System Interconnection – OSI), которая сыграла значительную

роль в развитии сетей.

1.3.5 Классификация компьютерных сетей

Все компьютерные сети можно классифицировать по различным

признакам.

По типу среды передачи данных, то есть физической среды,

используемой для передачи данных, компьютерные сети делятся на

проводные и беспроводные.

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на

низкоскоростные сети – до 10 Мбит/с, среднескоростные сети – до 100 Мбит/с

и высокоскоростные сети – свыше 100 Мбит/с.

По территориальной распространенности компьютерные сети делятся

на локальные, глобальные и городские.

Локальные сети (Local Area Networks – LAN) – это сети,

сосредоточенные на небольшой территории. Чаще всего к локальным сетям

относят компьютерные сети, принадлежащие одной организации. В связи с

небольшими расстояниями в локальных сетях имеется возможность

использования относительно дорогих высококачественных линий связи, что

позволяет достигнуть высоких скоростей обмена данными порядка 100

Мбит/с. Кроме того, количество компьютеров в локальных сетях относительно

небольшое (порядка нескольких десятков или сотен). В связи с этим услуги,

предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и

обычно предусматривают реализацию в режиме online.

Глобальные сети (Wide Area Networks –WAN) – это сети, которые

объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, находящиеся в

различных городах и даже странах. В связи с тем, что прокладка новых

высококачественных линий связи на большие расстояния требует больших

материальных затрат, в глобальных сетях часто используются уже

существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других

целей, либо используются беспроводные линии связи. Кроме того, глобальные

компьютерные сети состоят из очень большого числа компьютеров (порядка

сотен тысяч и более). В связи с этим, скорость передачи данных в глобальных

сетях значительно меньше, чем в локальных сетях.

Городские сети (сети мегаполисов, Metropolitan Area Networks – MAN)

– это сети крупных городов или областей. Эти сети появились сравнительно

недавно, и они занимают промежуточное положение между локальными и

глобальными сетями [9]. В э тих сетях используются специализированные

цифровые магистральные линии связи, предназначенные для объединения

локальных сетей в масштабах города в единую сеть, а также соединения

локальных сетей с глобальными. Часто в качестве линий связи городских сетей

используется оптоволоконные кабели со скоростями от 45 Мбит/с.

Первоначально городские сети были разработаны для передачи данных, но в

настоящее время они поддерживают и видеоконференции, и интегральную

передачу голоса и текста. Развитие технологии сетей мегаполисов обычно

осуществлялось местными телефонными компаниями. Сети мегаполисов

являются общественными сетями, и поэтому их услуги обходятся дешевле,

чем построение собственной (частной) сети в пределах города.

1.3.6 Базы данных

Информационная система (ИС) – это некий механизм для хранения,

модификации и поиска информации.

База данных (БД) – это набор структурированной информации (т. Е.

имеется некоторая логическая структура, схема, модель, которая связывает

между собой разные данные), предназначенный для совместного

использования несколькими пользователями одновременно.

Система управления базами данных (СУБД) – инструментальные

программные средства, предназначенные для разработки базы данных.

Прикладные программы (Приложения) – программные средства,

предназначенные для доступа пользователей к базе данных.

Схема базы данных – описывает структуру, взаимоотношение и

взаимозависимость между отдельными компонентами, а также правила

модификации данных.

Модель данных – принципы, на основе которых построена схема базы

данных.

Основные задачи и функции базы данных:

1. Обеспечивать просмотр и модификацию данных. Это основная задача

любой информационной системы. Механизм реализации этих возможностей

обычно скрыт от пользователя.

2.Обеспечивать одновременный доступ нескольких пользователей к базе

данных.

При одновременной работе нескольких пользователей в

информационной системе не должны возникать конфликты при

редактировании одной и той же информации, в то же время недопустима

ситуация, когда один пользователь, работая с той или иной информацией,

делает невозможной работу других пользователей.

3. Предоставлять возможность администратору системы выполнять

различные действия для поддержания информационной системы в рабочем

состоянии. Информационная система должна позволять выполнять различные

административные действия и настройки, т. е. настраиваться на новые

аппаратные ресурсы, добавлять или удалять пользователей и т.д.

4. Обеспечивать идентификацию пользователей, ограничивать их права

на доступ к различным данным, защищать данные от несанкционированного

доступа. Любая информационная система должна разграничивать права

доступа к различным данным. Например, одни пользователи могут

просматривать и модифицировать данные, а другие могут только

просматривать. Кроме того, некоторые пользователи видят всю информацию,

хранящуюся в базе данных, некоторые видят только часть информации. Также

информационная система должна иметь механизмы защиты от попыток

получить несанкционированный доступ к данным.

5. Обеспечивать целостность и непротиворечивость данных в случае

аппаратных и программных сбоев.

Информационная система должна быть максимально устойчива к

аппаратным и программным ошибкам (или к злому умыслу). В случае выхода

аппаратуры или программного обеспечения из строя, вирусной или хакерской

атаки должна существовать возможность восстановить работоспособность

системы с минимальными потерями информации.